In a nuclear reactor containment, wall condensation forms with noncondensable gases and their accumulation near the condensate film leads to a significant reduction in heat transfer. In the framework of nuclear reactor safety, the film condensation in the presence of noncondensable gases is of high relevance with regards to safety concerns as it is closely associated with peak pressure predictions for containment integrity and the performance of components installed for containment cooling in accident conditions. In the present study, CUPID code, which has been developed by KAERI for the analysis of transient two-phase flows in nuclear reactor components, is improved for simulating film condensation in the presence of noncondensable gases. In order to evaluate the condensate heat transfer accurately in a large system using the two-fluid model, a mass diffusion model, a liquid film model, and a wall film condensation model were implemented into CUPID. For the condensation simulation, a wall function approach with a heat/mass transfer analogy was applied in order to save computational time without considerable refinement for the boundary layer. This paper presents the implemented wall film condensation model, and then introduces the simulation result using the improved CUPID for a conceptual condensation problem in a large system.
The numerical simulations were conducted to investigate the thermal-fluid phenomena occurred inside the experimental apparatus during a PCCS, used to remove heat released in accidents from a containment of light water nuclear power plant, operation. Numerical simulations of the flow and heat transfer caused by wall condensation inside the containment simulation vessel (CSV), which equipped with 18 vertical heat exchanger tubes, were conducted using the commercial computational fluid dynamics (CFD) software ANSYS-CFX. Shear stress transport (SST) and the wall condensation model were used for turbulence closure and wall condensation, respectively. The simulation using the actual size of the apparatus. However, rather than simulating the whole experimental apparatus in consideration of the experimental cases, calculation resources, and calculation time, the simulation model was prepared only in CSV. Selective simulation was conducted to verify the effects of non-condensable gas(NC gas) concentration, CSV internal pressure, and wall sub-cooling conditions. First, as a result of the internal flow of CSV, it was observed that downward flow due to condensation occurred surface of the vertical tube and upward flow occurred in the distant place. Natural convection occurred actively around the heat exchanger tube. Due to this rising and falling internal flow, natural circulation occurred actively around the heat exchanger tubes. Next, in order to check the performance of built-in condensation model using according to the non-condensable gas concentration, CSV internal flow and wall sub-cooling, the heat flux values were compared with the experimental results. On average, the results were underestimated with and error of about 25%. In addition, the influence of CSV internal pressure and wall sub-cooling was small, but when the condensate was highly generated due to the low non-condensable gas concentration, the error was large compared to the experimental values. This is considered to be due to the nature of the condensation model of the CFX code. However, in spite of the limitations of CFD, it is valid to use the built-in condensation model of CFD for PCCS performance prediction from a conservative perspective.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.12
no.3
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pp.235-243
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2000
A theoretical model for laminar filmwise condensation along an isothermal vertical wall at constant pressure has been formulated on the basis of conservation laws and other fundamental physical principles. The model was applied to the prediction of the influences of variable thermophysical properties of liquid and vapor layers in the filmwise condensation of superheated vapor of Rl2, R134a, R142b and R152a. The dimensionless velocity component method was employed in the transformation of the governing equations and their boundary conditions, and the polynomial method was used for treating variable thermophysical properties of liquid and vapor. Physical quantities, such as the dimensionless thickness of the liquid layer, local heat transfer rate and mean heat transfer coefficient, were investigated for different values of the superheated temperature of the stagnant vapor far from the wall. It was found that the value of mean heat transfer coefficient of R134a was higher than other refrigerants for the change of the superheated temperature.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.13
no.4
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pp.262-270
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2001
This paper deals with a prediction method for the condensation of ternary refrigerant mixture inside a horizontal smooth tube. Based on some reliable assumptions, the governing equations for the local heat and mass transfer characteristics are derived, and the prediction for the condensation of ternary zeotropic refrigerant mixtures composed of HFC32/HFC125/HFC134a, including R407C, is carried out. The local values of vapor quality, thermodynamic states at bulk vapor, vapor-liquid interface and bulk liquid, mass flux etc. are obtained for a constant wall temperature and a constant wall heat flux conditions, and the effects of the composition of HFC32/HFC125/HFC134a on heat transfer characteristics are examined. The prediction result is also compared with experimental data for condensation of ternary refrigerant mixtures. The predicted wall temperature distribution has a similar trend with experimental data but the predicted local heat transfer coefficients are 20-30% higher than the experimental data.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.10
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pp.1380-1387
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2000
The existing theoretical models for steady two-dimensional free convective laminar film condensation of pure saturated or superheated vapor under atmospheric pressure on isothermal vertical wall have been reviewed. To investigate the effects such as inertia, thermal convective and liquid-vapor interface shear stress, the models of constant or variable properties in liquid film for condensation of saturated vapor are compared in detail with Nusselt model. Also, for condensation of superheated vapor, the effects of superheated temperature and variable properties in liquid and vapor layers are examined and then a new correlation is proposed to predict the heat transfer. The results are in good agreement with the Shang's correlation within 2% errors.
The existing theoretical models for steady two-dimensional free convective laminar film condensation or pure saturated or superheated vapor under atmospheric pressure on isotheraml vertical wall have been reviewed. To investigate the effects of inertia, thermal convective and liquid-vapor interface shear stress, the models of constant or variable properties in liquid film for condensation of saturated vapor are compared in detail with Nusselt model. Also, for condensation of superheated vapor the effects of superheated temperature and variable properties in liquid and vapor layer are examined and then new correlation is proposed to predict the heat transfer. The results are in good agreement with the Shang's correlation within 2% errors.
The objective of the present work is to assess the analysis capability of two wall film condensation models, the default and the alternative models, of RELAP5/MOD3.2 on condensation experiments in the presence of noncondensable gas in a vertical tube of PCCS of CP-1300. In the calculation of a base case the default model of RELAP5/MOD3.2 under-predicts the heat transfer coefficients, and Its alternative model over-predicts them throughout the condensing tube, Also, both models over-predict the void fractions. The nodalization study shows that the variation of the node number does not change both modeling results of RELAP5/MOD3.2 Sensitivity study for varying input parameters shows that the inlet steam-air mixture flow rate, the inlet air mass fraction, and the inlet saturated steam temperature give significant changes of their heat transfer coefficients Run statistics show that the grind time of the default model is always higher than that of the alternative model by about 23%.
The current study describes experimental and computational work on the passive control of the steady and unsteady condensation shock waves, which are generated in a transonic nozzle. The bleed slots are installed on the contoured wall of the transonic nozzle in order to control the magnitude of the condensation shock wave and its oscillations. For computations, a droplet growth equation is incorporated into the two-dimensional Navier-Stokes equation systems. Computations are carried out using a third-order MUSCL type TVD finite-difference scheme with a second-order tractional time step. Baldwin-Lomax turbulence model is employed to close the governing equations. An experiment using an indraft transonic wind tunnel is made to validate the computational results. The current computations represented well the experimental flows. From both the experimental and computational results it is found that the magnitude of the condensation shock wave in the bleed slotted nozzle is significantly reduced, compared with no passive control of solid wall. The oscillations of the condensation shock wave are successfully suppressed by a bleed slot system.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.7
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pp.997-1004
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2002
The current study describes experimental and computational works on the passive control of the steady and unsteady condensation shock waves, which are generated in a transonic nozzle. The bleed slots are installed on the contoured wall of the transonic nozzle in order 10 control the magnitude of the condensation shock wave and its oscillations. For computations, a droplet growth equation is copuled with two-dimensional Navier-Stokes equation systems. Computations are carried out using a third-order MUSCL type TVD finite-difference scheme with a second-order fractional time step. Baldwin-Lomax turbulence model is employed to close the governing equations. An experiment using an indrafi transonic wind tunnel is made to validate the computational results. The current computations represented well the experimental flows. From both the experimental and computational results it is found that the magnitude of the condensation shock wave in the bleed slotted nozzle is signi ficantly reduced, compared with no passive control of solid wall. The oscillations of the condensation shock wave are successfully suppressed by a bleed slot system.
The ISP-47 TOSQAN experiment was analyzed with containmentFOAM which is an open-source CFD code based on OpenFOAM. The containment phenomena taking place during the experiment are gas mixing, stratification and wall condensation in a mixture composed of steam and non-condensable gas. The k-ω SST turbulence model was adopted with buoyancy turbulence models. The wall condensation model used is based on the diffusion layer approach. We have simulated the full TOSQAN experiment which had a duration 20000 s. Sensitivity studies were conducted for the buoyancy turbulence models with SGDH and GGDH and there were not significant differences. All the main features of the experiments namely pressure history, temperature, velocity and gas species evolution were well predicted by containemntFOAM. The simulation results confirmed the formation of two large flow stream circulations and a mixing zone resulting by the combined effects of the condensation flow and natural convection flow. It was found that the natural convection in lower region of the vessel devotes to maintain two large circulations and to be varied the height of the mixing zone as result of sensitivity analysis of non-condensing wall temperature. The computational results obtained with the 2D mesh grid approach were comparable to the experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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